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    0.6m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞槽壁試驗(yàn)段數(shù)值模擬

    2013-11-09 00:50:44叢成華廖達(dá)雄王海鋒陳吉明
    關(guān)鍵詞:馬赫數(shù)試驗(yàn)段邊界層

    叢成華,廖達(dá)雄,王海鋒,陳吉明

    (1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621000;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所,四川 綿陽(yáng) 621000)

    0 引 言

    在先進(jìn)飛行器研制日趨精細(xì)化、一體化要求下,作為提供飛行器設(shè)計(jì)最原始依據(jù)的風(fēng)洞試驗(yàn)向模擬真實(shí)化、測(cè)量精細(xì)化、試驗(yàn)高參數(shù)化和手段綜合一體化方向發(fā)展,除依靠提高風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量精度和改進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的途徑外,必須盡快建立高性能大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞。

    在跨聲速風(fēng)洞中,試驗(yàn)段被包圍在駐室內(nèi),與大氣隔絕。試驗(yàn)段壁板采用開槽通氣壁,一方面是使試驗(yàn)段入口為聲速的氣流繼續(xù)膨脹,得到Ma>1.0的低超聲速流動(dòng);在高亞聲速試驗(yàn)時(shí)還可以避免試驗(yàn)時(shí)風(fēng)洞發(fā)生堵塞。槽壁試驗(yàn)段內(nèi)的流動(dòng)比較復(fù)雜,在槽壁附近存在邊界層流動(dòng)、剪切流、分離流動(dòng)、漩渦,流場(chǎng)中有亞聲速區(qū)又有超聲速區(qū),開槽試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)水平對(duì)提高試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì)具有決定性作用。

    為提高試驗(yàn)段氣流品質(zhì),從20世紀(jì)50年代開始,針對(duì)跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段壁板的設(shè)計(jì)就開展了大量的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究工作,建成了以美國(guó)NTF(National Transonic Facility)和歐洲 ETW(European Transonic Wind tunnel)為代表的跨聲速風(fēng)洞,支撐了其基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工業(yè)制造的發(fā)展。在試驗(yàn)方面,Wright在Langley 8英尺風(fēng)洞中研究了開槽外形對(duì)低超聲速和高亞聲速流動(dòng)均勻性的影響[1];Nelson研究了開槽寬度、深度、外形、間距對(duì)馬赫數(shù)分布的影響[2];Little對(duì)不同構(gòu)型槽壁和再入調(diào)節(jié)片進(jìn)行了研究[3];Everhart進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究[4-5],獲得了槽壁附近的流場(chǎng)特性,獲得了不同情況下流動(dòng)的偏角數(shù)據(jù)、馬赫數(shù)分布、總壓比分布;為提高槽壁試驗(yàn)段性能,Bhat對(duì)駐室分區(qū)抽氣進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6]。近年來(lái),隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值模擬在開槽試驗(yàn)段設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。Karlsson研究了不同外形槽壁試驗(yàn)段的流動(dòng)情況[7];Jassim對(duì)比了不同邊界條件下模型的氣動(dòng)力參數(shù)后認(rèn)為粘性效應(yīng)是影響槽壁模擬的關(guān)鍵[8];Glazkov對(duì)槽壁試驗(yàn)段進(jìn)行了數(shù)值模擬,槽壁附近的速度分布和試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合[9]。隨著對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求越來(lái)越高,近年來(lái)國(guó)外對(duì)槽壁試驗(yàn)段的研究主要集中在降噪和降低洞壁干擾和修正方面。

    在國(guó)內(nèi),對(duì)槽壁試驗(yàn)段的研究始于20世紀(jì)80年代,范潔川對(duì)低速風(fēng)洞開槽試驗(yàn)段開閉比與減弱洞壁干擾進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究[10];韓延良對(duì)低速風(fēng)洞槽板寬度、駐室深度、試驗(yàn)段長(zhǎng)度、模型安放位置等參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[11];鄭國(guó)鋒理論分析了跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的加速問(wèn)題[12]。在數(shù)值模擬方面,叢成華等對(duì)使用開槽試驗(yàn)段建立低超聲速流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究,探討了開槽截面處的流動(dòng)機(jī)理[13],對(duì)開槽設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

    大型風(fēng)洞建設(shè)是一項(xiàng)投資大、周期長(zhǎng)、技術(shù)難度高的系統(tǒng)工程,為解決風(fēng)洞設(shè)計(jì)與運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,擬建設(shè)試驗(yàn)段尺寸為0.6m×0.6m的連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(下文簡(jiǎn)稱為0.6m風(fēng)洞)作為引導(dǎo)風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用開槽試驗(yàn)段,用于開展跨聲速試驗(yàn)段設(shè)計(jì)技術(shù)研究。從前面的研究中可以看到,槽壁試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)難度高,為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)數(shù)值模擬了解槽壁試驗(yàn)段的流動(dòng)特性,以減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的失誤。從風(fēng)洞建設(shè)歷程中可以發(fā)現(xiàn),CFD在前期方案設(shè)計(jì)中起到了越來(lái)越重要的作用[13-15],為此本文以0.6m風(fēng)洞開槽試驗(yàn)段通氣壁板設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ),通過(guò)數(shù)值模擬研究試驗(yàn)段的氣動(dòng)特性,驗(yàn)證流場(chǎng)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。

    1 試驗(yàn)段主要參數(shù)

    圖1給出了0.6m風(fēng)洞試驗(yàn)段示意圖(圖中數(shù)值單位為mm),試驗(yàn)段左右壁板采用實(shí)壁,上下使用開槽壁,開閉比為10%,壁板長(zhǎng)度2350mm,前部為氣流加速區(qū),中部為模型試驗(yàn)區(qū),后部為模型支架區(qū),設(shè)置主氣流引射縫和再入調(diào)節(jié)片。駐室直徑為3000mm,駐室上、下壁對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)抽氣口,抽氣口中心距試驗(yàn)段進(jìn)口1500mm。

    圖1 開槽試驗(yàn)段示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic of slotted test section(unit:mm)

    當(dāng)試驗(yàn)段Ma數(shù)處在0.7≤Ma<1.4時(shí),采用駐室抽氣或試驗(yàn)段主流引射,并控制主壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)Ma數(shù)范圍的運(yùn)轉(zhuǎn)。在Ma數(shù)1.1≤Ma≤1.4時(shí),為了提高試驗(yàn)段流場(chǎng)品質(zhì),也可通過(guò)調(diào)節(jié)柔壁噴管到相應(yīng)的Ma數(shù)型面和使用通氣壁試驗(yàn)段的組合,來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的試驗(yàn)段Ma數(shù)。駐室抽氣系統(tǒng)相關(guān)抽氣參數(shù)按照等熵流假定進(jìn)行計(jì)算[13],抽氣量如表1所示。

    表1 試驗(yàn)段模型區(qū)不同馬赫數(shù)所對(duì)應(yīng)的抽氣量Table 1 Air mass exhausted corresponding Mach number in model region of test section

    2 數(shù)值方法

    2.1 氣動(dòng)建模

    以氣流流向?yàn)閤軸,垂直方向?yàn)閥軸,按右手坐標(biāo)系法則設(shè)定z軸建立坐標(biāo)系,將試驗(yàn)段下壁板對(duì)稱面處的入口設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)。為模擬試驗(yàn)段的上游噴管,入口前增加530mm,型面按照風(fēng)洞噴管實(shí)際型面數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。由于槽壁試驗(yàn)段的橫斷面為完全的對(duì)稱外形,取1/4作為數(shù)值模擬的模型。為降低網(wǎng)格規(guī)模同時(shí)保證模擬精度,采用混合網(wǎng)格,試驗(yàn)段和駐室內(nèi)部靠近開槽處采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格在壁面附近加密;其它部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量為400萬(wàn),外形如圖2所示。

    圖2 試驗(yàn)段網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic for gird of slotted test section

    2.2 控制方程

    控制方程為N-S方程。在三維笛卡爾坐標(biāo)系中,其守恒形式為:

    其中t為時(shí)間,Q為守恒變量矢量,F(xiàn)、G和H為無(wú)粘通矢量,F(xiàn)v、Gv和Hv為粘性通矢量。在流場(chǎng)求解中使用有限體積法,對(duì)流項(xiàng)使用二階線性迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)使用中心差分格式,隱式離散方程采用LU-SGS方法。湍流模型使用k-ω模型。

    2.3 邊界條件

    入口給定壓力入口邊界條件,入口總壓取穩(wěn)定段總壓,入口靜壓按照下式給定:

    出口給定壓力出口邊界,抽氣口設(shè)定為壓力出口,具體參閱文獻(xiàn)[13-14]。上部和側(cè)面給定對(duì)稱邊界。壁板為絕熱無(wú)滑移固壁邊界。

    2.4 數(shù)值方法驗(yàn)證

    在進(jìn)行流場(chǎng)特性研究前,使用96萬(wàn)、228萬(wàn)、400萬(wàn)、615萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究,圖3給出了來(lái)流馬赫數(shù)為0.9使用全槽時(shí)試驗(yàn)段模型中心位置處不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)的馬赫數(shù),當(dāng)網(wǎng)格單元增加到400萬(wàn)時(shí),馬赫數(shù)基本穩(wěn)定不變,與615萬(wàn)的馬赫數(shù)差別為0.0004,小于下文計(jì)算均勻區(qū)時(shí)選擇的參考馬赫數(shù)偏差0.001,為此選擇400萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行下面的計(jì)算。對(duì)計(jì)算方法的驗(yàn)證可參閱文獻(xiàn)[13],限于篇幅,這里不再贅述。

    圖3 試驗(yàn)段模型旋轉(zhuǎn)中心馬赫數(shù)與網(wǎng)格數(shù)量Fig.3 Mach number at the model rotating center of test section corresponding to different grid cells

    3 數(shù)值模擬結(jié)果

    在試驗(yàn)段設(shè)計(jì)過(guò)程中,一種方案是使用8條全槽,所有開槽位于試驗(yàn)段上下壁面中間部位(簡(jiǎn)稱為全槽);另一種方案是在靠近兩側(cè)壁面處使用半槽,形成了“7條全槽+2條半槽”的方案(簡(jiǎn)稱為半槽),開槽的具體布置情況如圖1所示。下面對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比。

    3.1 高亞聲速狀態(tài)

    圖4給出了試驗(yàn)段中心處的沿程馬赫數(shù)分布曲線,兩種開槽設(shè)計(jì)方案的馬赫數(shù)分布都較為均勻,按照馬赫數(shù)偏差0.001計(jì)算,半槽時(shí)均勻區(qū)長(zhǎng)度為1120mm(x=310~1430mm),全槽時(shí)均勻區(qū)長(zhǎng)度為1000mm(x=310~1310mm),較半槽時(shí)縮短了120mm。在相同入口條件下,半槽的試驗(yàn)段馬赫數(shù)較全槽高0.003左右,在試驗(yàn)段后部馬赫數(shù)增長(zhǎng)較快,這與再入調(diào)節(jié)片的開度有關(guān)。從總壓分布可以看到,采用全槽試驗(yàn)段壁板時(shí)在試驗(yàn)段后部損失較大,因此采用半槽壁板可能有助于降低風(fēng)洞運(yùn)行壓力。

    圖4 Ma=0.9時(shí)試驗(yàn)段中心線沿程馬赫數(shù)和總壓分布Fig.4 Mach number and total pressure of the centerline of test section when using full slot and half slot when Ma=0.9

    圖5給出了x=1800mm處靠近對(duì)稱面處第一條槽附近的邊界層速度分布,兩種設(shè)計(jì)方案在距離開槽距離不同時(shí)邊界層厚度幾乎保持相同。全槽較半槽時(shí)邊界層位移厚度要稍大,由于高亞聲速時(shí)試驗(yàn)段流動(dòng)對(duì)邊界層厚度非常敏感[14],這可能是使用全槽時(shí)試驗(yàn)段馬赫數(shù)偏低的原因。

    圖5 Ma=0.9時(shí)第一條槽附近的邊界層Fig.5 Boundary layer of the first slot near symmetry in test section using full slot and half slot when Ma=0.9

    另外邊界層厚度與駐室氣流的流動(dòng)狀態(tài)相關(guān),圖6給出了距離試驗(yàn)段入口不同站位處的馬赫數(shù)分布可以看到,使用半槽時(shí)側(cè)壁邊界層較為均勻,對(duì)核心流的擾動(dòng)較小,從流線可以看到,在試驗(yàn)段前部,氣流從試驗(yàn)段流向駐室,而在試驗(yàn)段后部,氣流從駐室流向試驗(yàn)段。這與Everhart的試驗(yàn)結(jié)果是一致的[4-5]。

    圖7給出了靠近對(duì)稱面處第一條槽中心截面的馬赫數(shù)分布,在試驗(yàn)段上游馬赫數(shù)分布較為均勻,由于進(jìn)入駐室的氣流流量小,對(duì)駐室氣流影響較小,在試驗(yàn)段中部,由于較多氣流進(jìn)入駐室,在駐室中卷起漩渦,而氣流從駐室進(jìn)入試驗(yàn)段時(shí),與引射縫調(diào)節(jié)片相互作用,這可能是噪聲的主要來(lái)源。駐室內(nèi)中后部有較低流動(dòng)速度的渦存在,這會(huì)對(duì)試驗(yàn)段的流動(dòng)和噪聲產(chǎn)生影響。另外,試驗(yàn)段后部發(fā)生了堵塞,形成了低超聲速流動(dòng),其原因是在x=1800mm處氣流從駐室流向試驗(yàn)段,而試驗(yàn)段截面積在該處并未變化,為消除這一現(xiàn)象,試驗(yàn)段左右壁面應(yīng)以曲面形式擴(kuò)開。

    圖6 Ma=0.9時(shí)距離試驗(yàn)段入口不同站位處馬赫數(shù)分布Fig.6 Mach number contour at different stations from inlet of test section using full slot and half slot when Ma=0.9

    圖7 Ma=0.9開槽中心處馬赫數(shù)分布Fig.7 Mach number contour of test section at center of the first slot using full slot and half slot when Ma=0.9

    圖8給出了再入調(diào)節(jié)片附近的流動(dòng)特性,當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下,兩種情況都會(huì)在調(diào)節(jié)片處形成駐渦,這種非定常流動(dòng)狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)段降噪將是非常不利的。這也說(shuō)明再入調(diào)節(jié)片的設(shè)計(jì)對(duì)流動(dòng)有較大影響,調(diào)節(jié)片上部的流動(dòng)加速與調(diào)節(jié)片開度密切相關(guān)。在半槽時(shí),再入?yún)^(qū)域駐渦與低速流動(dòng)剪切,而使用全槽時(shí),則是高速區(qū)域與駐渦發(fā)生剪切,因此使用半槽時(shí)流動(dòng)噪聲可能會(huì)較低。

    3.2 低超聲速狀態(tài)

    從圖9可以看到,入口的聲速氣流由于抽氣而繼續(xù)膨脹,獲得了馬赫數(shù)為1.23的低超聲速流動(dòng),按照馬赫數(shù)偏差0.008計(jì)算,半槽時(shí)均勻區(qū)長(zhǎng)度為750mm(x=700~1350mm),全槽時(shí)均勻區(qū)長(zhǎng)度為340mm(x=870~1210mm);如果按照馬赫數(shù)偏差0.004計(jì)算,半槽與全槽時(shí)均勻區(qū)長(zhǎng)度分別為250mm(x=900~1150mm)和210mm(x=940~1150mm),使用半槽方案,均勻區(qū)長(zhǎng)度會(huì)有較為明顯的增加。但由于抽氣量較大導(dǎo)致對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng),均勻區(qū)長(zhǎng)度較?。?3],因此馬赫數(shù)大于1.2時(shí)最好使用低超聲速噴管。

    圖8 Ma=0.9時(shí)半槽與全槽再入流動(dòng)特性Fig.8 Field characteristics of test section reentry region using full slot and half slot when Ma=0.9

    圖9 Ma=1.2時(shí)試驗(yàn)段中心線沿程馬赫數(shù)Fig.9 Mach number of the centerline of test section when using full slot and half slot when Ma=1.2

    圖10給出了開槽附近的邊界層分布,在低超聲速狀態(tài)下,距離開槽位置不同邊界層厚度差別較大。在開槽中心處,全槽的邊界層厚度較半槽薄。從試驗(yàn)段邊界層看,由于開槽處的出流影響,在開槽處邊界層較遠(yuǎn)離開槽時(shí)邊界層薄的多,而在試驗(yàn)段后部,由于駐室氣流進(jìn)入試驗(yàn)段,開槽處的邊界層會(huì)增厚。

    圖10 Ma=1.2時(shí)第一條槽附近的邊界層Fig.10 Boundary layer of the first slot near symmetry in test section using full slot and half slot when Ma=1.2

    圖11給出了距離試驗(yàn)段入口1800mm站位處的馬赫數(shù)分布,抽氣對(duì)駐室的影響較大,影響范圍距離試驗(yàn)段壁板約150mm,在設(shè)計(jì)時(shí),在這個(gè)距離范圍內(nèi),沿氣流方向不應(yīng)有障礙物。與半槽對(duì)比,使用全槽時(shí),抽氣對(duì)駐室的影響更為均勻,這可能有利于降低噪聲。

    圖11 Ma=1.2距離試驗(yàn)段入口不同站位馬赫數(shù)分布Fig.11 Mach number contour at different stations from inlet of test section using full slot and half slot when Ma=1.2

    圖12給出了開槽中心面的馬赫數(shù)分布,與半槽對(duì)比,全槽對(duì)駐室的影響稍小。兩種方案下入口加速區(qū)較長(zhǎng),這可能是開槽截面外形對(duì)氣體流出的阻力較大引起的。在試驗(yàn)段后部,馬赫數(shù)分布較為混亂,這可能有兩個(gè)原因,一是是由于后部引射部分設(shè)計(jì)引起的,特別是再入導(dǎo)流片的設(shè)計(jì);二是可能是由于開槽設(shè)計(jì)引起的,如果需要增加均勻區(qū)長(zhǎng)度,可能需要將將開槽尾部向試驗(yàn)段出口處移動(dòng)。

    圖12 Ma=1.2時(shí)開槽中心處馬赫數(shù)分布Fig.12 Mach number contour of test section at center of the first slot using full slot and half slot when Ma=1.2

    4 結(jié) 論

    根據(jù)0.6m風(fēng)洞試驗(yàn)段氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)槽壁試驗(yàn)段進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與采用全槽的情況進(jìn)行了對(duì)比,根據(jù)前面的論述,可以得到下面的結(jié)論:

    (1)在當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下,通過(guò)駐室抽氣,在亞聲速和低超聲速,都可以在試驗(yàn)段獲得較為均勻的流場(chǎng);

    (2)通過(guò)半槽與全槽的對(duì)比看,使用半槽優(yōu)勢(shì)更大,為了提高試驗(yàn)段均勻區(qū)長(zhǎng)度,開槽后部位置應(yīng)向試驗(yàn)段出口移動(dòng);

    (3)試驗(yàn)段后部尤其是再入調(diào)節(jié)片附近非定常特征非常明顯。

    本文對(duì)槽壁試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了初步數(shù)值研究,下一步要結(jié)合試驗(yàn)對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行研究,尤其是再入調(diào)節(jié)片的設(shè)計(jì)與開度。

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